檢測電路、檢測算法及抗干擾技術演示文稿1目前一頁\總數一百一十四頁\編于八點2（優選）檢測電路、檢測算法及抗干擾技術目前二頁\總數一百一十四頁\編于八點10.2

檢測算法1）數字濾波技術2）克服系統誤差的軟件算法3）量程自動切換及標度變換目前三頁\總數一百一十四頁\編于八點10.3

檢測系統抗干擾設計1）干擾的類型及產生2）常用的抑制干擾措施3）其他抑制干擾的措施目前四頁\總數一百一十四頁\編于八點10.1

檢測電路設計

1）信號放大電路

標準電信號：

4～20mA

，1～5V其它標準電壓、電流信號方便對被測信號的后續變換、處理、記錄、分析電壓、電勢、電位電流、電荷電阻、電容、電感光、磁信號信號放大的目的：傳感器直接輸出的信號：目前五頁\總數一百一十四頁\編于八點放大電路的主要類型電橋：阻抗式傳感器差動放大器：電勢、電位式傳感器高輸入阻抗放大器：電位、電勢、電荷式傳感器電荷放大器：電荷式傳感器儀用放大器：電位差、電勢差隔離放大電路：噪聲隔離、光電、磁電、電感比例放大器：通用型

目前六頁\總數一百一十四頁\編于八點同相比例放大電路

同相比例放大器是指輸出信號與輸入信號相比，相位相同，幅值成一定比例。

增益輸入阻抗其中：A為運放的開環增益；

F為電路的反饋系數；

ri為運放的開環輸入阻抗。目前七頁\總數一百一十四頁\編于八點反相比例放大電路

反相比例放大器是指輸出信號與輸入信號相比，相位相反，幅值成一定比例。目前八頁\總數一百一十四頁\編于八點交流電壓跟隨電路

交流電壓跟隨電路是同相放大電路的特例。為減小失調電流，常取R3=R2目前九頁\總數一百一十四頁\編于八點差動放大電路差動放大是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相端和反相端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。特點：提高電路共模抑制比，減小溫漂。目前十頁\總數一百一十四頁\編于八點電橋電路

特點：

靈敏度高；線性好；測量范圍寬；容易實現溫度補償。直流電橋（電阻應變式測力稱重傳感器）交流電橋（電感式、差動變壓器式、電容式傳感器）

分類：

目前十一頁\總數一百一十四頁\編于八點直流電橋

直流電橋的橋臂為純電阻，如圖所示，圖中UB為電橋電源電壓。電橋的平衡條件為：R1R4=R2R3

。電橋輸出為：

令R1=R2=R3=R，R4=R+dR（單臂工作）有：目前十二頁\總數一百一十四頁\編于八點交流電橋或

交流電橋的結構與工作原理和直流電橋基本相同。不同的是輸入輸出為交流，其平衡條件應為Z1Z3=Z2Z4

由于式中Ri、Xi為各橋臂電阻和電抗；

zi、為各橋臂復阻抗的模和輻角。因此，式中的平衡條件必須同時滿足：輸出目前十三頁\總數一百一十四頁\編于八點電荷放大電路特點：把壓電器件高內阻的電荷源變換為傳感器低內阻的電壓源，實現阻抗匹配，并使其輸出電壓與電荷成正比。電荷放大電路可用于壓電式傳感器、CCD傳感器圖（b）電荷放大器應用電路圖（a）電荷放大器電路原理框圖輸出回路電容目前十四頁\總數一百一十四頁\編于八點

儀用放大器

儀用放大器又稱測量放大器，為抑制共模輸入電壓與增益調節和阻抗匹配之間互相牽連和矛盾而設計，電路如圖所示。

左邊部分由運放A1、A2構成同相放大器，右邊部分由運算放大器A3和電阻R3～R6組成減法器。設R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，則有

儀用放大器僅調Rg即可調整放大器增益，不需多電位器聯動，不影響電路的對稱性，輸入阻抗高、對稱性好、共模抑制比高、增益設定調整方便，適用于電勢差、電位差輸出型傳感器。目前十五頁\總數一百一十四頁\編于八點隔離放大器

隔離放大器能在輸入與輸出信號之間保持電氣隔離的同時，實現輸出與輸入電壓的線性傳輸。其組成及符號如下圖所示。隔離放大器主要用于噪聲環境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號，適合于電感式、磁電式、電渦流式、光電式、霍爾式等傳感器的信號調理與放大。目前十六頁\總數一百一十四頁\編于八點隔離放大器

隔離的媒介主要有電磁隔離（變壓器隔離）、光電隔離和電容隔離。a）變壓器隔離放大器原理框圖b）光電隔離放大器原理框圖目前十七頁\總數一百一十四頁\編于八點變壓器隔離放大器：因變壓器體積大，成本高，功耗大，無法集成，使器件價格高，體積大，一般為非標準集成電路封裝；但一般把隔離電源也固化在器件內，甚至可實現三端隔離，且通過引腳將電源輸出，可外接負載，不需另配隔離DC-DC變換器，使用方便。光電耦合隔離放大器：全由半導體器件構成，便于集成，成本低，體積小，性能穩定，不需外接任何器件，使用方便。但器件本身不帶隔離電源，需另接隔離DC-DC變換器。電容耦合隔離放大器：引出線少，使用方便，但需使用調制解調技術，頻帶寬度不及光電耦合型隔離放大器。三種隔離放大器的特點目前十八頁\總數一百一十四頁\編于八點2）

信號變換電路

電壓-電流轉換電路

交流-直流轉換電路電壓-頻率轉換電路電壓-脈寬轉換電路目前十九頁\總數一百一十四頁\編于八點電壓-電流轉換電路

在成套儀表和計算機測控系統中，傳感器和儀表之間、儀表和儀表之間的信號傳送都采用標準信號，即1-5V直流電壓或0-10mA、4-20mA直流電流。在傳感器測量系統中，常用電壓/電流轉換電路進行電壓、電流信號間的轉換。例如，在遠距離測量中，把電壓信號轉換成電流傳輸，以減小傳輸導線阻抗對信號的影響。測電流信號時，先將電流信號轉換成電壓，再由數字電壓表測量，或經A/D轉換后由計算機測控。

目前二十頁\總數一百一十四頁\編于八點電壓-電流(V/I)變換

輸出負載中的電流正比于輸入電壓的電路，稱為電壓-電流變換器。（1）浮地負載的V-I變換電路

一個簡單的V-I變換電路如圖(1)所示。流過RL兩端的電流與輸入電壓的關系為

圖(1)簡單的V-I變換器電路目前二十一頁\總數一百一十四頁\編于八點

U/I轉換電路

圖(2)帶三極管驅動的V-I變換器電路

由上式可知，調節Rw可改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數。為降低運算放大器功耗，擴大輸出電流，在運算放大器的輸出端可加一個三極管驅動電路，如圖(2)所示。目前二十二頁\總數一百一十四頁\編于八點接地負載V-I變換電路

圖(3)中Al為同相加法器，A2為跟隨器，所以V02=VL=ILRL

A1的同相端電壓為：

V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4)A1的同相端電壓經放大后輸出為：

Vol=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL

選擇元件參數值滿足：

R3(Rl+R2)＝Rl(R3+R4)，可得負載中的電流IL與負載RL無關。為此選取R3＝R1，R4＝R2，則輸出負載中的電流為：

IL=ViR2/(R1R5)圖(3)接地負載的V-I變換電路目前二十三頁\總數一百一十四頁\編于八點差動式V-I變換電路圖a：理想條件下：V-=V+=Vi2，RL中的電流：IL=(Vi1-Vi2)/R1

圖b：若滿足條件：R3/R5=R1/(R2+R4)，則浮地負載中的總電流為：

IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4)圖c：負載中的電流為IL=I3-I4，為使負載的電流與RL無關，電阻選擇須滿足：R1R4=R2R3，相應的接地負載電流為：IL=(Vi2-Vil)/R3a）b）c）圖(4)差動式V-I變換電路目前二十四頁\總數一百一十四頁\編于八點電流-電壓轉換電路

在遠程監控中，電流信號常常經長距離導線傳送到數據采集接口，需I-V比例轉換后再進行A/D轉換。如圖(5)所示。最簡單的電流-電壓變換電路如圖(6)所示。常用高輸入阻抗運放組成電流-電壓變換電路，一種簡單的方案如圖(7)所示。圖(5)圖(6)圖(7)目前二十五頁\總數一百一十四頁\編于八點交流-直流變換電路

把交流電壓變換成直流電壓亦稱AC-DC變換。圖(10)是使用二極管的整流電路，利用半波整流把交流電變成直流電。從圖(11)所示硅二極管的正向伏安特性可知，用硅二極管做半波整流時，若Um<0.5V，則輸出電壓Uo≈0。該電路不能把峰值0.5V以下的交流電壓轉換成直流電壓。

圖(10)簡單整流電路圖(11)硅二極管的正向伏安特性目前二十六頁\總數一百一十四頁\編于八點交流-直流變換器

為此，可采用圖(12)所示的由運放構成的半波線性整流電路。這時Uo與Ui呈線性關系。實際應用中圖(12)a所示電路的輸出端對地還要接濾波電容，使輸出電壓Uo平滑。當輸入uI為正極性時，放大器輸出uO1為負，D2通，D1截止，uO為零。uI為負時，放大器輸出為正，D1通，D2止，電路處于反相比例運算狀態。

只要運放輸出|uO1|的值大于整流二極管的正向導通電壓，D1和D2中總有一個通，一個截止，此時電路能正常檢波。圖(12)由運算放大器構成的線性整流放大電路目前二十七頁\總數一百一十四頁\編于八點實用交流電壓-直流電壓變換電路圖(13)實用交流電壓-直流電壓變換電路

圖(13)是一種實用的電路。該電路是由半波整流電路和平均值-有效值轉換器構成的線性變換電路，輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。目前二十八頁\總數一百一十四頁\編于八點電壓-頻率轉換電路

電壓-頻率轉換(簡稱V/f轉換)是指把電壓信號轉換成與之成正比的頻率信號，其轉換過程實質上是對信號進行頻率調制。

V/f轉換器（簡稱VFC）應用簡單，對外圍器件性能要求不高，其A/D轉換速度不低于雙積分型ADC。集成VFC不需同步時鐘，其成本比ADC和DAC低得多。另外，電壓模擬量經V/f變換成頻率信號后其抗干擾能力大為增強，適于遠距離傳輸及噪聲環境下工作。目前二十九頁\總數一百一十四頁\編于八點單片集成VFC

單片集成VFC和模塊式VFC組件已大量商品化，它們只需外接極少元件就可構成一個高精密的VFC電路，如LM331。

LM331是一種簡單、廉價的VFC單片集成電路。

目前三十頁\總數一百一十四頁\編于八點3）信號分離電路

濾波器的基本知識

RC有源濾波電路集成有源濾波器

目前三十一頁\總數一百一十四頁\編于八點濾波器的基本知識

濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統。

功能：濾除噪聲和分離各種不同信號。

類型：

按處理信號形式分：模擬濾波器和數字濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構成的無源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數的微分方程階數分：一階、二階、高階目前三十二頁\總數一百一十四頁\編于八點濾波器的頻率特性示意圖

c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()圖（1）各種濾波器頻率特性示意圖低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器目前三十三頁\總數一百一十四頁\編于八點濾波器的主要特性指標特征頻率：①通帶截頻fp=p/(2):通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個規定下限；②阻帶截頻fr=r/(2)：阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數)下降到一個規定的下限；③轉折頻率fc=c/(2)：為信號功率衰減到0.707(約3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻；④固有頻率f0=0/(2)：電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。

目前三十四頁\總數一百一十四頁\編于八點增益與衰耗

濾波器在通帶內的增益并非常數。①低通濾波器：通帶增益Kp，

一般指w=0時的增益；高通指w→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②帶阻濾波器：應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數。③通帶增益變化量△Kp：指通帶內各點增益的最大變化量，若△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。

目前三十五頁\總數一百一十四頁\編于八點

阻尼系數與品質因數阻尼系數：表征濾波器對角頻率為0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。品質因數：阻尼系數的倒數，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標。

Q=0/△w。

式中，△為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。

目前三十六頁\總數一百一十四頁\編于八點靈敏度

濾波電路由許多元件構成，每個元件參數值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數x變化的靈敏度記作Sxy，定義為：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測量儀器或電路系統靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩定性也越高。

目前三十七頁\總數一百一十四頁\編于八點群時延函數

當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性∮()也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數d∮()/d評價信號經濾波后的相位失真程度。群時延函數d∮()/d越接近常數，信號相位失真越小。

目前三十八頁\總數一百一十四頁\編于八點二階低通濾波器

二階低通濾波器的傳遞函數的一般形式為：或其固有頻率為a01/2，通帶增益Kp=b0/a0，阻尼系數1/0。其幅頻特性與相頻特性分別為目前三十九頁\總數一百一十四頁\編于八點二階低通濾波函數的頻率特性

20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60a)幅頻特性α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°b)相頻特性圖（2）二階低通濾波函數的頻率特性目前四十頁\總數一百一十四頁\編于八點二階高通濾波器

二階高通濾波器的傳遞函數的一般形式為其幅頻特性與相頻特性分別為目前四十一頁\總數一百一十四頁\編于八點二階高通濾波函數的頻率特性曲線

b)圖（3）lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)20lgA/dB)lg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-40a)幅頻特性b)相頻特性二階高通濾波函數的頻率特性曲線目前四十二頁\總數一百一十四頁\編于八點二階帶通濾波器

二階帶通濾波器的傳遞函數的一般形式為其幅頻特性與相頻特性分別為目前四十三頁\總數一百一十四頁\編于八點二階帶通濾波函數的頻率特性曲線

b)相頻特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBa)幅頻特性lg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=1000二階帶通濾波函數的頻率特性曲線目前四十四頁\總數一百一十四頁\編于八點二階帶阻濾波器

二階帶阻濾波器的傳遞函數的一般形式為

其幅頻特性和相頻特性為目前四十五頁\總數一百一十四頁\編于八點二階帶阻濾波函數的頻率特性曲線01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)-40-6020lgA/dB0-1

-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(ω/ω0)/(°)a)幅頻特性b)相頻特性二階帶阻濾波函數的頻率特性曲線目前四十六頁\總數一百一十四頁\編于八點濾波器特性的逼近

理想濾波器要求幅頻特性A()在通帶內為一常數，在阻帶內為零，沒有過渡帶，還要求群延時函數在通帶內為一常量，這在物理上是無法實現的。實踐中往往選擇適當逼近方法，實現對理想濾波器的最佳逼近。測控系統中常用的三種逼近方法為：

巴特沃斯逼近切比雪夫逼近貝賽爾逼近

目前四十七頁\總數一百一十四頁\編于八點巴特沃斯逼近

其基本原則是使幅頻特性在通帶內最為平坦，并且單調變化。其幅頻特性為：

n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數為目前四十八頁\總數一百一十四頁\編于八點巴特沃斯低通濾波器頻率響應

0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)

三種巴特沃斯低通濾波器頻率響應a）幅頻特性b）相頻特性目前四十九頁\總數一百一十四頁\編于八點切比雪夫逼近與貝賽爾逼近2）切比雪夫逼近

這種逼近方法的基本原則是允許通帶內有一定的波動量△Kp。其幅頻特性為：3）貝賽爾逼近

與前兩種不同，它主要側重于相頻特性，其基本原則是使通帶內相頻特性線性度最高，群時延函數最接近于常量，從而使相頻特性引起的相位失真最小。

目前五十頁\總數一百一十四頁\編于八點

低通濾波器的頻率特性

ω/ω000.51221341.0A-180°-360°0121234ω/ω0246800.20.40.60.81.0t/t0213uo(t)/ui圖（7）四種五階低通濾波器的頻率特性a）幅頻特性b）相頻特性

1為貝賽爾濾波器；2為巴特沃斯濾波器；3為通帶波動為0.5dB的切比雪夫濾波器；4為通帶波動為2dB的切比雪夫濾波器圖（8）三種二階低通濾波器的單位階躍響應1為貝賽爾逼近；2為巴特沃斯逼近；3為通帶波動為2dB的切比雪夫逼近目前五十一頁\總數一百一十四頁\編于八點RC有源濾波電路

壓控電壓源型濾波電路uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N壓控電壓源型二階濾波電路基本結構該電路壓控增益Kf=1+R0/R

，傳遞函數為目前五十二頁\總數一百一十四頁\編于八點低通濾波電路與高通濾波電路（1）低通濾波電路

∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1（2）高通濾波電路uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+N目前五十三頁\總數一百一十四頁\編于八點帶通濾波器與帶阻濾波器

3）帶通濾波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N4）帶阻濾波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N目前五十四頁\總數一百一十四頁\編于八點集成有源濾波器單片集成通用有源濾波器MAX263/264：

28腳封裝的CMOS芯片；內含兩組Q值和通帶增益均相同的雙二階環電路；可以實現四種不同的工作模式，如圖（23）所示；利用計算機編程可實現非常豐富靈活的信號分離功能。N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1VˉGNDQ2Q3OSCOUT

F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKAMAX263/264引腳圖MAX263/264工作模式說明目前五十五頁\總數一百一十四頁\編于八點

4）信號調制電路

信號調制的目的信號的調制與解調

調幅鑒幅電路

調頻鑒頻電路

調相鑒相電路

脈寬調制電路目前五十六頁\總數一百一十四頁\編于八點信號調理的宗旨輸出信號真實、不失真地反映被測信號。目前五十七頁\總數一百一十四頁\編于八點信號的調制與解調調制解調的功用及目的：從含噪的信號中分離出測量信號是檢測電路的任務。主要功用：為便于區別信號與噪聲，給被測量信號賦予一定特征。方法：先將微弱緩變信號加載到高頻交流信號中，然后用交流放大器放大，再從放大器輸出中取出放大的緩變信號。目的：解決微弱緩變信號的放大以及信號傳輸問題，提高信號的抗干擾能力。目前五十八頁\總數一百一十四頁\編于八點

調制：用一個信號(稱調制信號)去控制另一個作為載體的信號

(稱載波信號)，使后者的某一特征參數按前者變化。信號調制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。

調制信號：用來改變載波信號的某一參數，如幅值、頻率、相位的信號，常用測量信號作調制信號。

已調信號：經過調制的載波信號。

解調：在將測量信號調制并與噪聲分離、放大等處理后，再從已調信號中提取反映被測量值的測量信號的過程。

調制與解調的概念目前五十九頁\總數一百一十四頁\編于八點

調幅、調頻、調相：

分別指對一個正弦信號（載波信號）的幅值、頻率、相位參數進行的調制。

脈沖調寬：

用脈沖信號作載波信號，對脈沖信號的不同特征參數作調制。最常用的是對脈沖的寬度進行調制。

常用的信號調制方法目前六十頁\總數一百一十四頁\編于八點調幅原理與方法

調幅方式的特點：調制方法和解調電路簡單；

調幅：用調制信號x去控制高頻載波信號的幅值，常用線性調幅，即讓調幅信號幅值按調制信號x的線性函數變化；調幅信號的一般表達式可寫為：式中

c為載波信號的角頻率；Um為調幅信號中載波信號的幅值；m為調制度。目前六十一頁\總數一百一十四頁\編于八點調制信號x可按任意規律變化，為方便可假設調制信號x是角頻率為Ω的余弦信號x=XmcosΩt，因此，式(1)調幅信號可寫為：

它含三個不同頻率的信號:角頻率為ωc的載波信號和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號。載波信號中不含調制信號x的信息，因此可取Um=0，只保留兩個邊頻信號。這種調制稱為雙邊帶調制。其數學表達式為:

調幅鑒幅電路目前六十二頁\總數一百一十四頁\編于八點txOtOucusa)b)Otc)圖(1)雙邊帶調幅信號波形

雙邊帶調制的調幅波如圖(1)所示。圖a為調制信號，圖b為載波信號，圖c為調幅信號。雙邊帶調制可用調制信號與載波信號相乘來現。

雙邊帶調幅信號波形目前六十三頁\總數一百一十四頁\編于八點為提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經是已調信號，因此，常在傳感器中進行調制。實例：用4個應變片測量梁的變形，由此確定作用在梁上的力F的大小。4個應變片接入電橋，并采用交流電壓U供電。設4個應變片在沒有應力作用的情況下它們的阻值R1=R2=R3=R4=R，電橋的輸出：

傳感器通過交流供電實現調制目前六十四頁\總數一百一十四頁\編于八點調頻原理與方法

調頻：用調制信號x控制高頻載波信號的頻率；常用線性調頻，即被調信號頻率按調制信號x的線性函數變化；調頻信號us的一般表達式可寫為：式中wc為載波信號的角頻率；Um為調頻信號中載波信號的幅度；m為調制度。若x=Xmcost,則調頻信號的頻率可在wc±mXm范圍內變化。為避免頻率混疊，要求

wc>>mXm。目前六十五頁\總數一百一十四頁\編于八點調頻信號的波形xtOOtusa)調制信號b)調頻信號

調頻信號的波形目前六十六頁\總數一百一十四頁\編于八點優點：抗干擾能力強。調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現在振幅之中。缺點：占頻帶寬度大，復雜。調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統較之調幅系統復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。調頻調制的特點目前六十七頁\總數一百一十四頁\編于八點

傳感器調頻電路實例與調幅情況一樣，為提高測量信號抗干擾能力，常要求信號形成時已是已調信號。因此，常在傳感器中進行調頻。

測力或壓力的振弦式傳感器實例：測力或壓力的振弦式傳感器振弦3的一端與支承4相連，另一端與膜片1連接，振弦3的固有頻率隨張力T變化變化。振弦3在磁鐵2形成的磁場內振動時產生感應電動勢，其輸出為調頻信號。目前六十八頁\總數一百一十四頁\編于八點調相鑒相電路調相：利用調制信號x控制高頻載波信號的相位。常用方法：線性調相，即使得被調相信號的相位按調制信號x的線性函數變化。調相信號us的一般表達式：

us=Umcos(wct

+mx)

式中，wc為載波信號的角頻率；Um為調相信號中載波信號的幅度；m為調制度。目前六十九頁\總數一百一十四頁\編于八點a)b)c)txOttucusOO調相信號的波形調相信號的波形a）調制信號；b）載波信號；c）調相信號目前七十頁\總數一百一十四頁\編于八點同調幅、調頻的情況一樣，為提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號剛一形成就已經是已調信號，因此常在傳感器中進行調制。實例：感應式扭距傳感器13245M傳感器調相電路實例感應式扭距傳感器目前七十一頁\總數一百一十四頁\編于八點影響鑒相誤差的主要因素：非線性、信號幅值、占空比、門電路與時鐘脈沖頻率等。

RS觸發器鑒相精度最高，線性好，對Us和Uc的占空比沒有要求。鑒相范圍接近2；

相敏檢波器或乘法器鑒相原理上有非線性，信號幅值影響鑒相誤差。鑒相范圍為±/2

；脈沖采樣鑒相中鋸齒波的非線性影響鑒相誤差。鑒相范圍接近2；異或門鑒相中占空比影響鑒相誤差。鑒相范圍為0~；通過相位-脈寬變換鑒相：門電路的動作時間與時鐘脈沖頻率誤差對精度有影響，但一般誤差較小。各種鑒相方法及其比較目前七十二頁\總數一百一十四頁\編于八點脈沖調制指用脈沖作為載波信號的調制方法。在脈沖調制中具有廣泛應用的一種方式是脈沖調寬。脈沖調寬的數學表達式為：B=b+mx，波形圖：脈沖調制電路Ua)調制信號b)脈沖調寬信號txOxTBtO脈沖調寬信號的波形目前七十三頁\總數一百一十四頁\編于八點用電壓變化實現脈寬調制的電路電壓調寬uCu–R3R4CR2RR1uxVSuou+∞-++N用電壓變化實現脈寬調制的電路

ux為正使u+升高。u+升高使uo處于高電平的脈寬加大，uo處于低電平的時間縮短；

u+下降，使uo處于低電平的脈寬加大，uo處于高電平的脈寬減小，使脈寬受到調制。目前七十四頁\總數一百一十四頁\編于八點10.2

檢測算法1）數字濾波技術2）克服系統誤差的軟件算法3）量程自動切換及標度變換目前七十五頁\總數一百一十四頁\編于八點1）數字濾波技術優點：（1）不需增加硬件，只是一個計算程序，可靠性高，數字濾波可對頻率很高或很低的信號濾波；（2）用軟件算法實現，可以使多個輸入通道共享一個軟件“濾波器”，降低硬件成本；（3）改變軟件濾波器程序和參數，即可改變濾波特性，對于抑制低頻脈沖干擾、隨機噪聲特別有效。不足：需要計算時間目前七十六頁\總數一百一十四頁\編于八點數字濾波方法程序判斷濾波（限幅濾波）中（位）值濾波法算術平均濾波法遞推平均濾波法加權遞推平均濾波法一階慣性濾波法復合濾波法目前七十七頁\總數一百一十四頁\編于八點程序判斷濾波（限幅濾波）程序判斷濾波算法：

α:相鄰兩個采樣值之差的最大可能變化范圍程序判斷濾波又稱限幅濾波，很容易用程序判斷方法實現。過程的動態特性決定其輸出參數的變化速度，可根據檢測實踐經驗或按參數可能的最大變化速度Vmax及采樣周期T來決定α值，即：α

=T·Vmax

目前七十八頁\總數一百一十四頁\編于八點

對某一被測參數連續采樣n次(一般n取奇數)，把n次采樣值按大小排隊，取中間值作為本次有效采樣值。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數采用此算法能收到良好濾波效果，能有效抑制脈沖干擾，但對于壓力等快變參數一般不宜采用。中（位）值濾波法：連續取幾個采樣值進行算術平均，其數學表達式為

算術平均濾波法：

適用于一般有隨機干擾的信號的濾波，對信號的平滑程度完全取決于N。N大，平滑度高，靈敏度低；N小，平滑度低，靈敏度高。中值濾波法與算術平均濾波法目前七十九頁\總數一百一十四頁\編于八點

只需一次測量，就能得到當前算術平均濾波值。此方法是把N個測量數據看成一個隊列。計算濾波值時，只要把隊列中的N個數據進行算術平均，就得到新的濾波值。

遞推平均濾波法：

加權遞推平均濾波法：其中設為對象的純滯后時間，且

則

遞推平均濾波與加權遞推平均濾波目前八十頁\總數一百一十四頁\編于八點

以數字形式通過算法實現一階慣性（動態）RC濾波，能很好地克服上述模擬濾波器的缺點。適用于波動頻繁的參數濾波，但帶來了相位滯后(取決于a值)，靈敏度低。

一階慣性濾波法：復合濾波法：

如果yl≤y2≤…≤yn，其中，3≤n≤14(y1和yn分別是采樣值中的最小值和最大值)，則，其中

不能濾除頻率高于采樣頻率二分之一(奈奎斯特頻率)的干擾信號。高于奈奎斯特頻率的干擾信號，應采用模擬濾波器。一階慣性濾波法與復合濾波法a由實驗定，只要使被測信號不產生明顯紋波。，Tf為濾波時間常數，

T為采樣周期目前八十一頁\總數一百一十四頁\編于八點

校正系統誤差的關鍵是建立誤差模型。多數情況下誤差模型未知，只能通過測量數據建立反映測量值變化的近似數學模型，即校正模型。

系統誤差的模型校正法（非線性校正）

2）克服系統誤差的軟件算法

代數插值法：

設有n+1組離散點：(x0，y0)，(xl，y1)，…，(xn，yn)，x∈[a，b]和未知函數f(x)，并有f(x0)=y0

f(x1)=y1…f(xn)=yn，找到一個函數g(x)，使g(x)在xi(i=0，…，n)處與f(xi)相等。滿足這個條件的函數g(x)，稱為f(x)的插值函數，xi稱為插值節點。

用一個次數不超過n的代數多項式Pn(x)=anxn+an-1xn-1+…+a1x+a0去逼近f(x)，使Pn(x)在節點xi處滿足Pn(xi)=f(xi)=yii=0,2,…,n目前八十二頁\總數一百一十四頁\編于八點

通常給出離散點總是多于求解插值方程所需的離散數，因此，用多項式插值法求解離散點的插值函數時，先必須根據所需的逼近精度決定多項式次數，該次數與所要逼近的函數有關。一般最常用線性插值和拋物線(二次)插值。線性插值：

在一組數據(xi,yi)中選取兩個具有代表性的點(x0,y0),(x1,y1)，然后根據插值原理求出插值方程：其中線性插值目前八十三頁\總數一百一十四頁\編于八點非線性特性的直線方程校正圖

實際測量中，每采樣一個值，就用校正方程計算P1(x)，并把P1(x)當做被測量值的校正值。

當(x0,y0)、(x1,y1)為非線性特性曲線f(x)或數組的兩端點A、B時，如圖所示，線性插值是常用的直線方程校正法(端點連線法)。當擬合誤差小于允許的擬合誤差時，則直線方程是理想的校正方程。

線性插值目前八十四頁\總數一百一十四頁\編于八點

拋物線插值是在數據中選取三點(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，相應的插值方程為：

拋物線插值目前八十五頁\總數一百一十四頁\編于八點

當很難建立合適的誤差校正模型時，可用實驗手段求得校正曲線，然后把曲線上的各校正點的數據以表格形式存入內存。一個校正點的數據對應一個(或幾個)內存單元，以后實時測量時，通過查表來求得修正后的測量結果。

查表法目前八十六頁\總數一百一十四頁\編于八點

傳感器、測量電路等不可避免地存在溫度漂移和時間漂移，這給整個測量系統引入零位誤差和增益誤差。這類誤差均屬系統誤差。

零位誤差的校正方法：

在每個測量周期中或中斷正常的測量過程中，使輸入接地(輸入為零)，此時包括傳感器在內的整個測量輸入通道的輸出即為零位輸出(一般該值不為零)N0；再把輸入接基準電壓VR測得數據NR，并將N0和NR存于內存。然后輸入接Vx，測得Nx，則測量結果可用下式計算。Vx=VR(Nx-N0)/(NR-N0)

即在正常測量過程中，每次測量后均從采樣值中減去原先存入的零位輸出值，實現零位校正。但在對溫度、流量、壓力等的工業測量中，很難提供零位輸入狀態，因此零位誤差很難補償。系統零位誤差的校正方法目前八十七頁\總數一百一十四頁\編于八點

基本思想：系統開始工作后或每隔一定時間測一次基準參數，然后建立誤差校正模型，確定并存儲校正模型參數。正式測量時，根據測量結果和校正模型求取校正值，消除誤差。有兩種常用方法。

（1）全自動校正

用這種方法測得的信號與放大器的漂移和增益變化無關，可大大提高測量精度，降低對電路器件的要求。

電路的輸入部分有一個多路開關，由主機控制。校正時，先將開關接地，測出這時的輸入x0。然后把開關接VR，測出輸入x1，存放x0,x1，得校正方程

y=a1x+a0

式中，a1=VR/(x1-x0),a0=VRx0/(x0-x1)。系統增益誤差的校正方法1目前八十八頁\總數一百一十四頁\編于八點

（2）人工自動校正

由人工在需要時接入標準參數進行校正測量，存放測得的數據，供以后使用。一般人工自動校正只測一個標準信號yR，零位信號的補償由數字調零完成。設數字調零后測得的數據分別為xR(接標準輸入yR時)和x(接被測輸入y時)，則可計算出y。

Y=yRx/xR

人工自動校正特別適于傳感器特性隨時間變化的場合。例如常用的濕敏電容等濕度傳感器，其特性隨時間變化而變化。全自動校正只適用于基準參數是電信號的場合，且不能校正由傳感器引入的誤差。系統增益誤差的校正方法2目前八十九頁\總數一百一十四頁\編于八點

只需建立較精確的溫度誤差數學模型，就可實現完善的補償。一個可行方法是在傳感器內靠近敏感元件處，安裝一測溫元件，感受傳感器的工作環境溫度。常用測溫元件為PN二極管、熱敏電阻等，它們的某些特性隨溫度變化，經測溫電路、A/D轉換電路，轉換為與溫度有關的數字量，作為計算溫度誤差時的補償量。對某些傳感器，可采用較簡單的溫度誤差校正數學模型yC=y(1+a0△)+a1△

式中：y--未經溫度誤差校正的測量值；

yC--經校正后的測量值； △

--實驗工作環境溫度與標準溫度之差；

a0、a1--溫度變化系數，a1用于補償零位漂移，

a0用于補償傳感器靈敏度的溫度變化（溫漂）。傳感器溫度誤差的校正方法1目前九十頁\總數一百一十四頁\編于八點

對環境溫度變化不大的場合，用上式補償可收到比較好的效果；對于環境溫度變化比較大，且補償精度要求很高的場合，這種補償會帶來很大誤差。為此，需采用更復雜的公式進行修正：

yC=y(1+a0△

+a1△

2)+a2△

+a3△

2

式中，

a0、a1——用于補償傳感器靈敏度的變化；

a2、a3——用于補償零位漂移。對于傳感器的靈敏度及零漂溫度呈非線性變化的情況，上式可收到較好的效果。傳感器溫度誤差的校正方法2目前九十一頁\總數一百一十四頁\編于八點3）量程自動切換及標度變換量程自動切換：

如果傳感器和顯示器的分辨率一定，而系統(儀表)的測量范圍很寬，為提高測量精度，系統應具有量程自動切換功能。自動切換量程有采用程控放大器和不同量程傳感器兩條途徑。（1）采用程控放大

通過控制放大器增益，對小幅值信號用大增益，對大幅值信號用小增益，使A/D轉換器信號滿量程達到均一化，程控放大器的反饋回路中包含一個精密梯形電阻網絡或權電阻網絡，使增益可按二進制或十進制規律進行控制。程控放大器量程切換原理圖目前九十二頁\總數一百一十四頁\編于八點量程自動切換及標度變換（2）采用不同量程傳感器

采用不同量程傳感器進行切換的方案，由微機通過多路轉換器進行切換。1#傳感器的最大測量范圍為M1，2#為M2，且M1>M2，設它們的滿量程輸出相同。

啟動時，總是1#傳感器先接入工作，2#處于過載保護，待軟件判別確認量程后，再置標志位，選取M1或M2。目前九十三頁\總數一百一十四頁\編于八點標度變換

實用中，被測模擬量被檢測出來并轉為數字量后，常需要轉換成操作員熟悉的工程量。因為被測對象的各種數據的量綱與A/D轉換的輸入值不同，這些參數經傳感器和A/D轉換后得到一系列數碼，這些數碼并不等于原來帶有量綱的參數值，僅對應于參數大小，必須把它轉換成帶量綱的數值后才能運算、顯示或打印輸出，這種轉換是工程量變換，又稱標度變換。有線性系統標度變換和非線性參數標度變換。

在非線性參數的標度變換中，其變換式應根據具體問題分析。首先求出其對應的標度變換公式，然后進行程序設計或在測量范圍內實測一些典型數據制作一張數據表，再用查表程序實現標度變換，對那些中間數據可用插值法計算得到。目前九十四頁\總數一百一十四頁\編于八點標度變換-線性系統

（1）線性系統

標度變換公式：式中：A0——測量范圍最小值；

Am——測量范圍最大值；

Nm——Am所對應的數字量；

N0——A0所對應的數字量；

Nx——被測量工所對應的數字量。

例：已知某熱處理爐溫度測量系統的量程為200~800℃，在某一時刻計算機采樣并經數字濾波后的數字量(8位)為0CDH，此時的溫度值是多少?

解：已知A0=200℃，Am=800℃，Nx=0CDH=205，Nm=0FFH=255，此時溫度Ax=Nx(Am-A0)/Nm+A0=205×(800-200)/255+200=628℃目前九十五頁\總數一百一十四頁\編于八點標度變換-非線性參數

（2）非線性參數的標度變換

被測量為非線性刻度時，則其變換式應根據具體問題分析，首先求出它所對應的標度變換公式，然后進行程序設計。實例：在流量測量中，其流量和壓差的公式為式中：Q--流量；

△P--節流裝置前后的差壓；

K--刻度系數，與流體的性質及節流裝置的尺寸形狀有關。流體的流量與被測流體流過節流裝置前后產生的壓差的平方根成正比，于是得到測量流量時的標度變換式為目前九十六頁\總數一百一十四頁\編于八點標度變換-流量測量上式中，Qx：被測液體的流量值；

Qm：流量儀表的上限值；

Q0：流量儀表的下限值；

Nx：差壓變送器所測得的差壓值(數字量)；

Nm：差壓變送器上限所對應的數字量；

N0：差壓變送器下限所對應的數字量。

對于流量儀表，一般下限皆為0，即Q0=0，所以上式可簡化為目前九十七頁\總數一百一十四頁\編于八點標度變換-流量測量

若取流量表下限對應的數字量N0=0，則上式可進一步簡化為

前述三式即為不同初始條件下的流量標度變換公式。

與線性刻度標度變換公式一樣，由于Qm，Q0，Nm，N0都是常數，所以公式就可分別記作：

上述三式即為各種不同條件下的流量標度變換公式，同樣可以設計出流量標度變換程序。目前九十八頁\總數一百一十四頁\編于八點10.3

檢測系統抗干擾設計1）干擾的類型及產生2）常用的抑制干擾措施3）其他抑制干擾的措施目前九十九頁\總數一百一十四頁\編于八點

抗干擾技術

由于干擾的普遍存在，任何檢測系統的檢測結果總是達不到百分之百的準確，嚴重的干擾甚至會使檢測系統不能正常工作。因此，在設計、制造和使用檢測系統的過程中，都不能回避干擾的影響，尤其是高精度的檢測系統，必須花很大的精力和成本去抑制干擾。

測量中,來自測量系統內部和外部、影響測量裝置或傳輸環節正常工作和測試結果的各種因素的總和，稱為干擾(噪聲)。消除或削弱各種干擾影響的全部技術措施總稱為抗干擾技術或稱為防護。

形成干擾有三個要素:干擾源、干擾通道和受感系統。目前一百頁\總數一百一十四頁\編于八點干擾的類型根據干擾產生的原因，干擾通常可分為以下幾種類型。（1）電和磁干擾

電和磁的干擾對于傳感器或各種檢測儀表來說是最為普遍和影響最嚴重的干擾，必須認真對待這種干擾。

（2）機械干擾

對于機械干擾主要是采取減振措施來解決，例如采用彈簧減振、減振軟墊及隔板等措施。

（3）熱干擾

對于熱干擾，工程上通常采取熱屏蔽、恒溫法、對稱平衡結構和溫度補償元件等方法進行抑制。目前一百零一頁\總數一百一十四頁\編于八點（4）光干擾

對于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽問題。

（5）濕度干擾

通常采取的措施是避免將檢測裝置放置在潮濕處，儀器裝置定時通電加熱去潮，電子器件和印刷電路浸漆或用環氧樹脂封灌等。

（6）化學干擾

必須根據使用環境對儀器設備采取必要的防腐措施，將關鍵的元器件密封并保持儀器設備清潔。（7）射線輻射干擾

干擾的類型目前一百零二頁\總數一百一十四頁\編于八點干擾的來源（1）自然干擾

由大氣層發生的自然現象所引起的干擾以及來自宇宙的電磁輻射干擾統稱為自然干擾，如雷電、大氣低層電場的變化，電離層變化，太陽黑子的電磁輻射等。（2）電氣設備干擾

電氣設備所產生的干擾包括放電干擾、工頻干擾、開關干擾及射頻干擾等。

（3）內部干擾

設備內部由于設計不良或某些器件工作會形成干擾。內部干擾有長期干擾和瞬時干擾之分。熱電動勢、熱噪聲、信號耦合、工頻紋波等造成的干擾屬于長期干擾，而轉接過程、微音干擾、壓電效應等干擾屬于瞬時干擾。

目前一百零三頁\總數一百一十四頁\編于八點電子測量裝置的兩種干擾類型根據干擾進入測量電路的方式不同，干擾可分為串模干擾與共模干擾。（1）串模干擾

串模干擾：干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到系統上。常見串擾：外部交變磁場對傳感器的一端進行電磁耦合；外部高壓交變電磁場對傳感器的一端進行漏電流耦合。（2）共模干擾

共模干擾：相對于公共的電位基準點(通常為接地點)，在信號接收器的兩個端子上同時出現的干擾。它不直接影響結果，但是，當信號接收器的輸入電路不對稱時，它會轉為串模干擾，對測量結果產生影響。目前一百零四頁\總數一百一十四頁\編于八點常用的抑制干擾措施

為保證檢測系統正常工作，必須削弱和防止干擾影響，例如消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑以及削弱被擾對象(接收電路)對干擾的敏感性。通過采取各種抗干擾措施，使系統能穩定可靠工作，從而提高檢測精度。

（1）屏蔽技術

利用銅或鋁等低電阻值材料